Qu’est-ce qu’un échangeur de chaleur – Définition

Échangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs utilisés pour transférer de l’énergie thermique d’un fluide à un autre sans mélanger les deux fluides. Les fluides sont généralement séparés par une paroi solide (avec une conductivité thermique élevée ) afin d’empêcher tout mélange ou ils peuvent être en contact direct.

L’exemple classique d’ échangeur de chaleur se trouve dans un moteur à combustion interne dans lequel un liquide de refroidissement moteur traverse des serpentins de radiateur et de l’air passe par les serpentins, ce qui refroidit le liquide de refroidissement et réchauffe l’air entrant. En génie électrique, les applications courantes des échangeurs de chaleur incluent les générateurs de vapeur , les ventilateurs, les échangeurs de chaleur à eau de refroidissement et les condenseurs . Par exemple, un générateur de vapeur est utilisé pour convertir l’ eau d’alimentation en vapeur d’ eau issue de la chaleur produite dans le cœur d’ un réacteur nucléaire . La vapeur produite entraîne la turbine.

Le transfert de chaleur dans un échangeur thermique implique généralement une convection dans chaque fluide et une conduction thermique à travers la paroi séparant les deux fluides. Dans l’analyse des échangeurs de chaleur, il est souvent commode de travailler avec un coefficient global de transfert de chaleur , connu comme un facteur U . Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de Newton sur le refroidissement .

De plus, les ingénieurs utilisent également la différence de température moyenne logarithmique ( LMTD ) pour déterminer la force motrice de la température pour le transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur.

Référence spéciale: John R. Thome, Engineering Data Book III. Wolverine Tube Inc. 2004.

La surface de transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur peut être agencée sous plusieurs formes. Les échangeurs de chaleur sont donc également classés comme:

• Échangeurs de chaleur à double tube. Les échangeurs de chaleur à double tube sont bon marché pour la conception et la maintenance, ce qui en fait un bon choix pour les petites industries. Dans ces échangeurs, un fluide s’écoule à l’intérieur du tube et l’autre fluide s’écoule à l’extérieur. Bien qu’ils soient simples et bon marché, leur faible efficacité couplée à l’espace élevé occupé à grande échelle, a conduit les industries modernes à utiliser des échangeurs de chaleur plus efficaces comme la coque et le tube.
• Échangeurs de chaleur à coque et à tube.Les échangeurs de chaleur à coque et à tube dans leurs diverses modifications de construction sont probablement la configuration d’échangeur de chaleur de base la plus répandue et la plus couramment utilisée dans l’industrie. Les échangeurs de chaleur à coque et à tube sont en outre classés en fonction du nombre de passages de coque et de tube impliqués. Les échangeurs de chaleur à coque et à tube sont généralement utilisés pour des applications à haute pression (avec des pressions supérieures à 30 bars et des températures supérieures à 260 ° C). En effet, les échangeurs de chaleur à coque et à tube peuvent résister à des pressions élevées en raison de leur forme. Dans ce type d’échangeur de chaleur, un certain nombre de tuyaux de petit diamètre sont installés entre deux plaques tubulaires et le fluide primaire s’écoule à travers ces tubes. Le faisceau de tubes est placé à l’intérieur d’une coque et le fluide secondaire s’écoule à travers la coque et sur la surface des tubes. En génie nucléaire,l’eau d’alimentation en vapeur de la chaleur produite dans un cœur de réacteur nucléaire . Pour augmenter la quantité de chaleur transférée et la puissance générée, la surface d’ échange de chaleur doit être maximisée. Ceci est obtenu en utilisant des tubes . Chaque générateur de vapeur peut contenir de 3 000 à 16 000 tubes, chacun d’environ 19 mm de diamètre.
• Échangeurs de chaleur à plaques. Un échangeur de chaleur à plaques est un type d’échangeur de chaleur qui utilise des plaques métalliques pour transférer la chaleur entre deux fluides. Cet agencement est populaire avec les échangeurs de chaleur utilisant de l’air ou du gaz ainsi qu’un débit de fluide à plus faible vitesse. L’exemple classique d’un échangeur de chaleur se trouve dans un moteur à combustion interne dans lequel un liquide de refroidissement du moteur circule à travers les serpentins du radiateur et de l’air passe devant les serpentins, ce qui refroidit le liquide de refroidissement et chauffe l’air entrant. Par rapport aux échangeurs à coque et à tube, l’agencement à plaques empilées a généralement un volume et un coût inférieurs. Une autre différence entre les deux est que les échangeurs à plaques servent généralement des fluides de basse à moyenne pression, par rapport aux pressions moyennes et élevées de la coque et du tube.

Analyse de l’échangeur de chaleur – Calcul de l’échangeur de chaleur

Les échangeurs de chaleur sont couramment utilisés dans l’industrie, et la conception appropriée d’un échangeur de chaleur dépend de nombreuses variables. Les termes et méthodes suivants sont largement utilisés pour sélectionner un échangeur de chaleur approprié .

Coefficient global de transfert de chaleur

Un échangeur de chaleur implique généralement deux fluides fluides séparés par une paroi solide. De nombreux processus de transfert de chaleur rencontrés dans l’industrie impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection . La chaleur est d’abord transférée du fluide chaud au mur par convection, à travers le mur par conduction, et du mur au fluide froid à nouveau par convection.

Avec ces systèmes composites, il est souvent commode de travailler avec un coefficient global de transfert de chaleur , connu comme un facteur U . Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de Newton du refroidissement :

Le coefficient de transfert de chaleur global, U, est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème. Par exemple, le transfert de chaleur dans un générateur de vapeur implique la convection de la majeure partie du liquide de refroidissement du réacteur à la surface du tube intérieur du générateur de vapeur, la conduction à travers la paroi du tube et la convection (ébullition) de la surface du tube extérieur vers le fluide secondaire.

En cas de transfert de chaleur combiné pour un échangeur de chaleur, il existe deux valeurs pour h. Il y a le coefficient de transfert thermique convectif (h) pour le film fluide à l’intérieur des tubes et un coefficient de transfert thermique convectif pour le film fluide à l’extérieur des tubes. La conductivité thermique (k) et l’épaisseur (Δx) de la paroi du tube doivent également être prises en compte.

 

La surveillance en ligne des échangeurs de chaleur commerciaux se fait en suivant le coefficient de transfert de chaleur global , car le coefficient de transfert de chaleur global a tendance à diminuer avec le temps en raison de l’ encrassement . En calculant périodiquement le coefficient de transfert de chaleur global à partir des débits et des températures de l’échangeur, l’opérateur de l’échangeur de chaleur peut estimer la durée de vie des échangeurs de chaleur.

Différence logarithmique de température moyenne – LMTD

Afin de résoudre certains problèmes d’échangeur de chaleur, les ingénieurs utilisent souvent une différence de température moyenne logarithmique (LMTD) , qui est utilisée pour déterminer la force motrice de température pour le transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur. Le LMTD est introduit du fait que le changement de température qui a lieu à travers l’échangeur de chaleur de l’entrée à la sortie n’est pas linéaire .

Le transfert de chaleur à travers la paroi de l’échangeur de chaleur à un endroit donné est donné par l’équation suivante:

Ici, la valeur du coefficient global de transfert de chaleur peut être supposée constante. D’un autre côté, la différence de température varie en fonction de l’emplacement (en particulier dans un agencement à contre-courant). Afin de déterminer le flux de chaleur total, le flux de chaleur doit être résumé en utilisant les zones élémentaires et la différence de température sur le site ou, plus commodément, les ingénieurs peuvent faire la moyenne de la valeur de la différence de température. L’équation de l’échangeur de chaleur peut être résolue beaucoup plus facilement si nous pouvions définir une «différence de température moyenne» (MTD) . On peut voir sur la figure que la différence de température varie le long du débit et que la moyenne arithmétique peut ne pas être la moyenne réelle, les ingénieurs utilisent donc la différence de température moyenne logarithmique. Le “Moyenne logarithmique différence de température « (LMTD) est une moyenne logarithmique de la différence de température entre les flux chaud et froid à chaque extrémité de l’échangeur de chaleur. Plus le LMTD est grand, plus la chaleur est transférée. On peut voir sur la figure que la différence de température varie le long du flux et que la moyenne arithmétique peut ne pas être la moyenne réelle.

Pour l’échangeur de chaleur qui a deux extrémités (que nous appelons «A» et «B»), où les flux chauds et froids entrent ou sortent de chaque côté, le LMTD est défini comme:

Le transfert de chaleur est alors donné par:

Cela vaut à la fois pour un agencement à flux parallèle, où les flux entrent par la même extrémité, et pour un agencement à contre-courant, où ils entrent à des extrémités différentes.

Dans un flux croisé, dans lequel un système, généralement le dissipateur de chaleur, a la même température nominale à tous les points de la surface de transfert de chaleur, une relation similaire entre la chaleur échangée et le LMTD tient, mais avec un facteur de correction. Un facteur de correction est également requis pour d’autres géométries plus complexes, comme un échangeur à coque et à tube avec chicanes.

LMTD – Condenseurs et chaudières

Les générateurs de vapeur et les condenseurs sont également des exemples de composants trouvés dans les installations nucléaires où le concept de LMTD est nécessaire pour résoudre certains problèmes. Lorsque l’eau sous-refroidie entre dans le générateur de vapeur, elle doit être chauffée jusqu’à son point d’ébullition puis évaporée. L’évaporation ayant lieu à température constante, elle ne peut pas être utilisée avec un seul LMTD. Dans ce cas, l’échangeur de chaleur doit être traité comme une combinaison de deux ou trois échangeurs de chaleur (en cas de surchauffe).

Pinch Point – Échangeur de chaleur

La conception présente un autre aspect intéressant, car la différence de température connue sous le nom de «pincement» peut limiter les performances des échangeurs de chaleur si les surfaces et les débits ne sont pas correctement conçus. Le point de pincement est l’emplacement dans l’échangeur de chaleur où la différence de température entre le fluide chaud et le fluide froid est minimale à cet emplacement.

Méthode d’efficacité NTU

La méthode log-moyenne de différence de température (LMTD) discutée dans la section précédente est facile à utiliser dans l’analyse des échangeurs de chaleur lorsque les températures d’entrée et de sortie des fluides chauds et froids sont connues ou peuvent être déterminées à partir d’un bilan énergétique. Par conséquent, la méthode LMTD est très appropriée pour déterminer la taille et les performances d’un échangeur de chaleur.

Lorsque la connaissance directe du LMTD n’est pas disponible et que la méthode NTU (méthode du nombre d’unités de transfert ) peut être utilisée. Cette méthode est basée sur un paramètre sans dimension appelé efficacité de transfert de chaleur, défini comme:

Comme on peut le voir, l’ efficacité est le rapport entre le taux de transfert de chaleur réel et le taux de transfert de chaleur maximum possible. Pour définir l’efficacité d’un échangeur de chaleur, nous devons d’abord déterminer le taux de transfert de chaleur maximum possible, q _max , pour l’échangeur de chaleur.

Lectures complémentaires:

1. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7th Edition. Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera. John Wiley & Sons, Incorporated, 2011. ISBN: 9781118137253.
2. Transfert de chaleur et de masse. Yunus A. Cengel. Éducation McGraw-Hill, 2011. ISBN: 9780071077866.

Exemple: calcul de l’échangeur de chaleur

Considérons un échangeur de chaleur à flux parallèle , qui est utilisé pour refroidir l’huile de 70 ° C à 40 ° C en utilisant de l’eau disponible à 30 ° C. La température de sortie de l’eau est de 36 ° C. Le débit d’huile est de 1 kg / s. La chaleur spécifique de l’huile est de 2,2 kJ / kg K. Le coefficient global de transfert de chaleur U = 200 W / m ² K .

Calculez la différence de température moyenne logarithmique . Déterminez la surface de cet échangeur de chaleur requise pour cette performance.

1. LMTD

La différence de température moyenne logarithmique peut être calculée simplement en utilisant sa définition:

2. Zone d’échangeur de chaleur

Pour calculer la surface de cet échangeur de chaleur, nous devons calculer le débit de chaleur en utilisant le débit massique d’huile et de LMTD.

La surface requise de cet échangeur de chaleur peut être ensuite calculée directement à l’aide de l’équation générale de transfert de chaleur:

Récupérateur et échangeur de chaleur régénératif

En général, les  échangeurs de chaleur  utilisés dans la régénération peuvent être classés comme  régénérateurs  ou  récupérateurs .

• Le régénérateur  est un type d’échangeur de chaleur dans lequel la chaleur du fluide chaud est stockée par intermittence dans un milieu de stockage thermique avant d’être transférée au fluide froid. Il a un chemin d’écoulement unique dans lequel les fluides chauds et froids traversent alternativement.

• Le récupérateur  est un type d’échangeur de chaleur qui a  des voies d’écoulement séparées  pour chaque fluide le long de leurs propres passages et la chaleur est transférée à travers les parois de séparation. Les récupérateurs (par exemple les économiseurs) sont souvent utilisés dans le domaine de l’énergie, pour augmenter l’efficacité globale des cycles thermodynamiques. Par exemple, dans un moteur à turbine à gaz. Le récupérateur transfère une partie de la chaleur perdue dans les gaz d’échappement à l’air comprimé, le préchauffant ainsi avant d’entrer dans la chambre de combustion. De nombreux récupérateurs sont conçus comme   des échangeurs de chaleur à contre-courant .

 

Régénération de chaleur

Dans la théorie des turbines à vapeur, des augmentations significatives de l’efficacité thermique de la turbine à vapeur peuvent être obtenues en réduisant la  quantité de combustible  qui doit être ajoutée dans la chaudière. Cela peut être fait en transférant de la chaleur (par exemple de la vapeur partiellement détendue) de certaines sections de la turbine à vapeur, qui est normalement bien au-dessus de la température ambiante, à l’eau d’alimentation. Ce processus est connu sous le nom de  régénération thermique  et une variété de  régénérateurs thermiques  peuvent être utilisés à cette fin. Parfois, les ingénieurs utilisent le terme  économiseur  qui sont des échangeurs de chaleur destinés à réduire la consommation d’énergie, notamment en cas de  préchauffage d’un fluide .

Comme on peut le voir dans l’article ” Générateur de vapeur “, l’eau d’alimentation (circuit secondaire) à l’entrée du générateur de vapeur peut avoir environ  ~ 230 ° C (446 ° F) , puis est chauffée au point d’ébullition de ce fluide  (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) et évaporé. Mais le condensat à la sortie du condenseur peut avoir environ  40 ° C , donc la régénération de chaleur dans un REP typique est importante et très importante:

• La régénération thermique augmente l’efficacité thermique, car une plus grande partie du flux de chaleur dans le cycle se produit à une température plus élevée.
• La régénération thermique entraîne une diminution du débit massique à travers l’étage basse pression de la turbine à vapeur, augmentant ainsi l’efficacité de la turbine isentropique LP. A noter qu’au dernier stade d’expansion, la vapeur a un volume spécifique très élevé.
• La régénération thermique entraîne une augmentation de la qualité de la vapeur de travail, car les drains sont situés à la périphérie du carter de turbine, où se trouve une concentration plus élevée de gouttelettes d’eau.

 

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